本發(fā)明涉及一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置及測量方法，屬于波譜探測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來太赫茲波技術(shù)發(fā)展迅猛，在天文遙感、公共安全、高速通信以及生物醫(yī)學等眾多科學領(lǐng)域都引起了廣泛的關(guān)注和研究。太赫茲(THz)波通常是指頻率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)的電磁波，其波長介于微波與近紅外之間。由于太赫茲波光子具有較低的能量，且許多材料在太赫茲波段具有特征吸收，許多非金屬及非極性材料在太赫茲波段是透明的，太赫茲波譜在無損檢測中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而太赫茲波段位于電子學與光子學的交界處,用傳統(tǒng)的電子學和光學方法均難以產(chǎn)生和檢測太赫茲波。20世紀90年代以后,激光技術(shù)、量子阱技術(shù)和化合物半導體等技術(shù)的發(fā)展,為太赫茲輻射提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，推動了太赫茲相關(guān)技術(shù)與研究的進一步發(fā)展，其中也包括太赫茲波譜測量技術(shù)。

由超快激光技術(shù)發(fā)展出來的太赫茲時域光譜技術(shù)(THz-TDS)是目前主流的太赫茲波譜測量系統(tǒng)。它利用飛秒激光技術(shù)獲得寬波段THz脈沖并能夠測量產(chǎn)生的太赫茲波電場強度隨時間的變化，通過傅里葉變換能夠獲得太赫茲波頻域譜，進而得到待測樣品的光譜信息。但是，典型的太赫茲時域光譜儀使用單鎖模飛秒激光器以及機械時間延遲裝置，其頻譜分辨率越高，掃描速度越慢。這是因為該光譜儀的分辨率數(shù)值與延遲時間窗口的寬度成反比，而要獲取較大的延遲時間窗寬度則需要更多的掃描時間，例如：平移臺可提供數(shù)百皮秒的延遲時間窗口寬度，但需要耗時數(shù)分鐘；而振動鏡的掃描速率能達到100Hz，但其時間窗寬度只能限制在100皮秒以內(nèi)。因此，傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜儀不能同時提供較高的分辨率和較快的掃描速度。

文獻(T.Yasui,E.Saneyoshi,and T.Araki,Asynchronous optical sampling terahertz time-domain spectroscopy for ultrahigh spectral resolution and rapid data acquisition.Appl.Phys.Lett,87,061101-1～061101-3(2005))提出了異步光采樣時域光譜儀(ASOPS THz-TDS)以解決上述太赫茲時域光譜儀存在的問題。該太赫茲光譜儀采用兩臺重復頻率具有固定差值的鎖模激光器分別作為泵浦光和探測光。兩束激光脈沖之間的相對延遲從0到泵浦脈沖重復頻率的倒數(shù)呈線性增長，并在重復頻率倒數(shù)的時間間隔內(nèi)完成一次THz脈沖的時間取樣。同樣通過傅里葉變換可以得到太赫茲波的頻域譜。由于該光譜儀避開了機械延遲裝置的使用，可以在獲取高分辨率的同時提供較快的掃描速度。然而，使用ASOPS太赫茲光譜儀測得的太赫茲波形具有嚴重的尾部震蕩，這可能是由各個光學部件之間的多重反射引起的。由于該震蕩已經(jīng)超出了背景噪聲的范圍，對太赫茲波譜的測量性能造成了嚴重的影響。

因此，對于太赫茲波譜測量系統(tǒng)來說，要求其在獲取高分辨率的同時提高掃描速度，又不帶來其他性能上的問題，并且希望減小體積和制作成本是較為困難的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服傳統(tǒng)太赫茲波譜測量技術(shù)存在的體積過大、分辨率不高、成本較高等不足，提供一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計了一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置，包括濾波器、濾波參數(shù)控制器、探測器和計算處理單元；待測太赫茲波經(jīng)由濾波器進行濾波作用后被探測器接收；其中，濾波參數(shù)控制器針對濾波器進行各種預設(shè)濾波條件控制，由濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下針對待測太赫茲波進行濾波作用，使得不同預設(shè)濾波條件下從濾波器出射的太赫茲波的波譜互不相同；探測器用于探測獲得不同預設(shè)濾波條件下從濾波器出射太赫茲波的功率；計算處理單元用于接收探測器的探測結(jié)果，并進行數(shù)據(jù)分析和處理。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：還包括太赫茲波準直裝置，所述待測太赫茲波經(jīng)由太赫茲波準直裝置轉(zhuǎn)化為平行波束后，再入射到所述濾波器中，其中，所述太赫茲波準直裝置包括兩個共焦的太赫茲波透鏡，以及設(shè)置于兩個太赫茲波透鏡之間共同焦點處的小孔光闌。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述濾波參數(shù)控制器通過電場強度調(diào)控、磁場強度調(diào)控、聲場強度調(diào)控、機械強度調(diào)控，或者以上調(diào)控手段的組合，針對所述濾波器進行各種預設(shè)濾波條件控制，由濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下針對待測太赫茲波進行濾波，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述濾波器包括具有不同濾波透射特性的各個濾波單元，所述濾波參數(shù)控制器針對濾波器進行電控機械調(diào)制，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述濾波參數(shù)控制器包括光學平移臺，所述濾波器還包括基底，所述各個濾波單元分布設(shè)置在基底上，基底設(shè)置于光學平移臺上，光學平移臺針對基底進行電控機械調(diào)制，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述濾波參數(shù)控制器包括步進電機和輪盤基底，所述各個濾波單元以輪盤基底的軸心為中心分布設(shè)置在輪盤基底上，步進電機的驅(qū)動端與輪盤基底相聯(lián)動，步進電機針對輪盤基底進行電控機械調(diào)制，控制輪盤基底以其軸心為軸進行轉(zhuǎn)動，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述各個濾波單元為彼此具有不同太赫茲波吸收特性的各個濾波薄膜；或者所述各個濾波單元為彼此具有不同太赫茲波譜透射特性的各個諧振頻率選擇面，各個諧振頻率選擇面上分別設(shè)置周期性分布的諧振單元。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述濾波器為太赫茲磁控濾波器，所述濾波參數(shù)控制器為磁場調(diào)制器，磁場調(diào)制器針對太赫茲磁控濾波器進行磁場強度調(diào)制，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下針對待測太赫茲波進行濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

本發(fā)明所述一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明所述基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置應(yīng)用中，避開采用傅里葉變換的方法，因此無需先得到待測太赫茲波的時域譜，也不需要使用機械延遲裝置，其結(jié)構(gòu)和光路較為簡單，并且整個設(shè)計結(jié)構(gòu)易于制作，且可選擇的材料種類繁多，因此整個裝置的成本較低；而且對于各種預設(shè)濾波條件所對應(yīng)的濾波單元來說，太赫茲波在濾波單元各個出射部位和出射的各個方向上，具有相同的透射波譜，它們都是經(jīng)過相同的濾波作用，能夠提高光譜測量的穩(wěn)定性；不僅如此，所設(shè)計基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置，相比現(xiàn)有的太赫茲時域波譜測量裝置體積較小，便攜性大大提高。

與之相應(yīng)，本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題在于克服傳統(tǒng)太赫茲波譜測量技術(shù)存在的體積過大、分辨率不高、成本較高等不足，提供一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計了一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法，包括如下步驟：

步驟1.將所述探測器所能探測到的頻率范圍等分為n個頻寬為Δf的頻段，各頻段分別以其中心頻率f₁,…,f_n進行標記；

步驟2.所述濾波參數(shù)控制器針對濾波器對應(yīng)待測太赫茲波的濾波作用，進行n種預設(shè)濾波條件控制，使得探測器分別探測獲得濾波器在n種預設(shè)濾波條件控制下、針對待測太赫茲波進行濾波作用后太赫茲波的功率，即探測獲得n個太赫茲波功率，再分別減去環(huán)境噪聲，更新獲得n種預設(shè)濾波條件控制下的n個太赫茲波功率P₁,…,P_n；

步驟3.通過求解矩陣方程(1)得到待測太赫茲波中各頻段f₁,…,f_n的功率大小P(f₁),…,P(f_n)：

式中，i∈{1,…,n}，j∈{1,…,n}，C_ij表示在參數(shù)控制器針對濾波器進行第i種預設(shè)濾波條件控制下，f_j頻段的太赫茲波在通過和不通過該濾波器時，探測器所探測到功率值分別減去環(huán)境噪聲后的比值；

步驟4.針對P(f₁),…,P(f_n)進行曲線擬合，并經(jīng)波譜定標，得到待測太赫茲波的波譜曲線。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟3中，利用吉洪諾夫正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法或者交替方向乘子法的數(shù)學優(yōu)化方法求解矩陣方程(1)，并且在所述吉洪諾夫正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子項，通過控制兩個相鄰解之間的距離，使得所得到的太赫茲波譜曲線更加平滑。

本發(fā)明所述一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明所述基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法，通過本發(fā)明所具體設(shè)計的太赫茲波譜測量裝置針對待測太赫茲波進行測量，避開采用傅里葉變換的方法，因此無需先得到待測太赫茲波的時域譜，并且測試應(yīng)用中，對于各種預設(shè)濾波條件所對應(yīng)的濾波單元來說，太赫茲波在濾波單元各個出射部位和出射的各個方向上，具有相同的透射波譜，它們都是經(jīng)過相同的濾波作用，能夠提高光譜測量的穩(wěn)定性；不僅如此，所設(shè)計基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法，通過解方程組復原太赫茲波譜的方法，使得光譜復原范圍和分辨率不再受機械裝置移動范圍和飛秒激光器重復頻率的限制，因此分辨率較高、光譜復原范圍較寬。

附圖說明

圖1是本發(fā)明設(shè)計中太赫茲波譜頻率劃分示意圖；

圖2是本發(fā)明設(shè)計中實施例1的太赫茲波譜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明設(shè)計中實施例2的太赫茲波譜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明設(shè)計中實施例3的太赫茲波譜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明設(shè)計中實施例4的太赫茲波譜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是文獻(Carelli P,Chiarello F,Cibella S,et al.A Fast Terahertz Spectrometer Based on Frequency Selective Surface Filters,Journal of Infrared Millimeter&Terahertz Waves,Vol.33，No.5,pp.505-512(2012))中諧振頻率選擇面的透射波譜示意圖；

其中，1.待測太赫茲波，2.太赫茲波透鏡，3.小孔光闌，4.探測器，5.不同濾波薄膜組成的濾波器，6.濾波薄膜，7.不同諧振頻率選擇面組成的濾波器，8.諧振頻率選擇面，9.輪盤基底，10.濾波單元，11.磁場調(diào)制器，12.太赫茲偏振片，13.液晶盒。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

本發(fā)明的思路是通過參數(shù)控制器改變?yōu)V波器對入射太赫茲波的濾波作用，測量不同控制條件下入射太赫茲波各頻率分量通過濾波器后的總強度，代入并求解線性方程組獲得各頻率分量強度的值并擬合得到入射太赫茲波的頻譜。

濾波器常用來提高系統(tǒng)的性能，廣泛使用于實際應(yīng)用中，在太赫茲領(lǐng)域內(nèi)同樣如此。本發(fā)明使用的濾波器為可調(diào)諧的寬頻太赫茲濾波器，在濾波參數(shù)控制器的各種預設(shè)濾波條件下對入射的待測太赫茲波具有不同的濾波作用。當入射的待測太赫茲波經(jīng)過濾波器并被探測器接收時，探測器所探測到的數(shù)值是每一個頻率的太赫茲波分量在經(jīng)過濾波后強度的線性疊加。而當濾波參數(shù)控制器的預設(shè)濾波條件改變時，通過濾波器的太赫茲波透射譜線發(fā)生變化，探測器所探測到的太赫茲波各頻率分量總強度也不斷改變，因此通過測量這些數(shù)據(jù)可以反演得到待測太赫茲波的頻譜信息，詳細解釋如下：

首先，將所述太赫茲探測器的探測頻率范圍劃分為n個頻寬為Δf的頻段，劃分后的太赫茲頻域譜如圖1所示，其中每一個頻率分量的中心頻率為f_i(i＝1,…,n)，當劃分份數(shù)足夠大時，每一個頻段的幅值都可由其中心頻率f_i的幅值表示，即各頻段分別以其中心頻率f₁,…,f_n進行標記。將各頻段的幅值進行線性擬合就可以得到待測太赫茲波的頻譜信息。由于各頻段的頻寬相同，也可以通過求解圖1中每個頻率分量對應(yīng)的小矩形的面積來獲取入射太赫茲波的頻譜。根據(jù)微積分的原理，太赫茲波的總?cè)肷涔β士梢越茷閳D1中曲線下面很多個小矩形面積的總和。在濾波參數(shù)控制器的某個控制條件下，入射的待測太赫茲波經(jīng)過濾波器后被探測器接收。此時，探測器檢測到的太赫茲波功率值應(yīng)等于太赫茲波經(jīng)過濾波器后各頻率分量功率值的疊加。由于濾波器的濾波作用，所疊加的太赫茲波各頻段的功率與入射時太赫茲波譜中各頻段功率相比有一定程度的改變，即圖1中每一個小矩形的面積在經(jīng)過濾波器濾波后發(fā)生了變化，且這個變化的比例對于太赫茲波的各頻段來說不盡相同。當各部件的位置和結(jié)構(gòu)固定時這些改變比例，即探測器對于太赫茲波各頻段的探測率是固定值，可以事先通過將各頻率的太赫茲波在經(jīng)過濾波之后與未經(jīng)濾波時探測器所測值分別減去探測器的固有噪聲相比后計算測得。若將太赫茲波入射時各頻段的功率作為未知數(shù)，將探測器對于太赫茲波各頻段的探測率作為各項系數(shù)，可以得到關(guān)于這些未知數(shù)的一個線性方程，方程的右邊是探測器探測測得的太赫茲功率值，方程組的左邊是待測太赫茲波中各頻段的功率乘以探測器對太赫茲波各頻段的探測率后再相加所得到的計算值。此后，通過濾波參數(shù)控制器改變?yōu)V波器對入射待測太赫茲波的濾波作用，即改變探測器對待測太赫茲波各頻段的探測率，那么當濾波參數(shù)控制器輸不同控制條件時，在探測器位置處將測得一系列不同的太赫茲波功率。將濾波參數(shù)控制不同控制條件下得到的線性方程組合得到一個線性方程組，解此方程組就可以得到待測太赫茲波的歸一化光譜。

基于上述分析，本發(fā)明設(shè)計了一種基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置，應(yīng)用中，具體包括太赫茲波準直裝置、濾波器、濾波參數(shù)控制器、探測器和計算處理單元；待測太赫茲波經(jīng)由太赫茲波準直裝置轉(zhuǎn)化為平行波束后，入射到濾波器中，經(jīng)由濾波器進行濾波作用后被探測器接收；其中，太赫茲波準直裝置包括兩個共焦的太赫茲波透鏡，以及設(shè)置于兩個太赫茲波透鏡之間共同焦點處的小孔光闌；濾波參數(shù)控制器通過電場強度調(diào)控、磁場強度調(diào)控、聲場強度調(diào)控、機械強度調(diào)控，或者以上調(diào)控手段的組合，針對所述濾波器進行各種預設(shè)濾波條件控制，由濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下針對待測太赫茲波進行濾波作用，使得不同預設(shè)濾波條件下從濾波器出射的太赫茲波的波譜互不相同，即獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波；探測器用于探測獲得不同預設(shè)濾波條件下從濾波器出射太赫茲波的功率；計算處理單元用于接收探測器的探測結(jié)果，并進行數(shù)據(jù)分析和處理；基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，本發(fā)明進一步具體設(shè)計如下。

首先，就濾波器來講，本專利設(shè)計濾波器包括具有不同濾波透射特性的各個濾波單元，濾波參數(shù)控制器針對濾波器進行電控機械調(diào)制，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。這里對于濾波單元來說，本發(fā)明進一步設(shè)計，各個濾波單元為彼此具有不同太赫茲波吸收特性的各個濾波薄膜；或者所述各個濾波單元為彼此具有不同太赫茲波譜透射特性的各個諧振頻率選擇面，各個諧振頻率選擇面上分別設(shè)置周期性分布的諧振單元；實際應(yīng)用中，就針對各個濾波單元的電控機械調(diào)制，本發(fā)明劃分兩種，一種是所述濾波參數(shù)控制器包括光學平移臺，所述濾波器還包括基底，各個濾波單元分布設(shè)置在基底上，基底設(shè)置于光學平移臺上，光學平移臺針對基底進行電控機械調(diào)制；另一種是所述濾波參數(shù)控制器包括步進電機和輪盤基底9，所述各個濾波單元以輪盤基底的軸心為中心分布設(shè)置在輪盤基底上，步進電機的驅(qū)動端與輪盤基底相聯(lián)動，步進電機針對輪盤基底進行電控機械調(diào)制，控制輪盤基底以其軸心為軸進行轉(zhuǎn)動，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波。

就上述設(shè)計結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用中，本專利具體設(shè)計如下各個實施例。

實施例1

本實施例中基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括太赫茲波準直裝置、由多個不同濾波薄膜6組成的濾波器5、探測器4、對濾波器5進行位置控制的光學平移臺(圖中未示出)，為了自動實現(xiàn)光譜復原過程中的數(shù)值采集與計算，本實施例中還包括與探測器4信號連接的計算處理單元(圖中未示出)。在本實施例中，入射的待測太赫茲波1首先經(jīng)過太赫茲波準直裝置，該太赫茲波準直裝置包括2個共焦的太赫茲波透鏡2以及設(shè)置于其共同焦點處的小孔光闌3，用以校正入射太赫茲波的平行度和光束寬度。整形后的待測太赫茲波1通過不同濾波薄膜6組成的濾波器5，該濾波器5由n個不同種類的濾波薄膜6組合而成，為了降低濾波器的制作難度，濾波器5上的n個濾波薄膜6還共用一個對太赫茲波透明的基底，優(yōu)選PTFE(聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene或teflon)或TPX(聚4-甲基戊烯-1，4-methylpentene-1或methyl pentene copolymer)等材料。濾波器5上的濾波薄膜6可以選用多種對太赫茲波具有特征吸收譜的生物或化學薄膜，本實施例中使用多種氨基酸分子材料制成的薄膜，如L-,D-,DL-丙氨酸，不同晶型甘氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等。濾波器可以通過以下方法制作：將所需的不同種氨基酸材料分別溶入蒸餾水配置成氨基酸溶液，將不同氨基酸溶液滴在基底上的不同位置并在300K溫度下晾曬30分鐘成膜，不斷重復上述步驟直至膜的厚度到達40-100μm。由于氨基酸分子的弱相互作用、骨架振動(構(gòu)型彎曲)、偶極的旋轉(zhuǎn)和振動躍遷以及晶格的低頻振動吸收都處于太赫茲波段，太赫茲波對不同氨基酸物質(zhì)結(jié)構(gòu)間微小的差異非常敏感，不同氨基酸材料在太赫茲波段都具有不同的吸收譜。因此本實施例中濾波器5上的n個濾波薄膜6在探測器4探測頻率范圍內(nèi)的透射譜線互不相同。探測器4正對濾波器5上某一濾波膜的中心位置，待測太赫茲波1通過濾波器5后被探測器4接收，探測器4可采用Golay Cell或者Bolometer。參數(shù)控制器在本實施例中為光學平移臺，它可以通過移動濾波器5控制濾波器5相對于探測器4的位置，即在不同控制條件下使得探測器4正對濾波器5上的不同濾波薄膜6位置。

實施例2

本實施例中基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括太赫茲波準直裝置、由多個不同諧振頻率選擇面8組成的濾波器7、探測器4、對濾波器進行位置控制的光學平移臺(圖3中未示出)。所述各個諧振頻率選擇面8可以使用同一個金屬平板或者金屬薄膜作為襯底。每一個諧振頻率選擇面8上都設(shè)置有周期性分布的諧振單元，不同諧振頻率選擇面8上的諧振單元具有不同形狀或者不同的幾何尺寸。其中，使用金屬平板作為襯底的濾波器7可以通過機械加工的方法制作，而使用金屬薄膜上作為襯底的濾波器7可通過離子刻蝕或者光學刻蝕的方法制作；濾波參數(shù)控制器在本實施例中為光學平移臺，它可以通過移動濾波器7控制濾波器7與探測器4的相對位置，使得不同控制條件下探測器4接收到從濾波器7上不同諧振頻率選擇面8透射出的太赫茲波。本實施例所使用的諧振頻率選擇面8在原理上類似一個空間濾波器，當頻率較低的太赫茲波照射到諧振頻率選擇面8上時，將激發(fā)大范圍的電子移動，使得電子吸收大部分能量，且沿諧振單元縫隙的感應(yīng)電流很小，導致透射系數(shù)比較小。隨著入射太赫茲波頻率的不斷升高，沿諧振單元縫隙流動的電流不斷增大，從而透射系數(shù)得到改善，當入射太赫茲波的頻率達到一定值時，諧振單元兩側(cè)的電子剛好在入射波電場向量的驅(qū)動下來回移動，形成較大的感應(yīng)電流，由于電子吸收大量入射波的能量，同時運動的電子透過諧振單元的縫隙向透射方向輻射電場，此時透射率達到峰值，該頻率就是諧振頻率點。當入射波的頻率繼續(xù)升高，將導致電子的運動范圍減小，并且高頻入射波的電場變化周期的限制了電子的運動，輻射能量有限，因此透過率又將逐漸減小。諧振頻率選擇面8的諧振頻率取決于其諧振單元的結(jié)構(gòu)和形狀，這是因為當空間電磁波照射到各個諧振頻率選擇面8構(gòu)成的周期陣列平面時會產(chǎn)生頻率響應(yīng)特性，這種響應(yīng)特性可以用等效電路的思想加以解釋，對于普通的環(huán)形結(jié)構(gòu)或者實心結(jié)構(gòu)，其諧振頻率點可參考下式：

式中：L_e是諧振頻率選擇面8上諧振單元等效的電感，C_e為諧振頻率選擇面8上諧振單元之間的間隔縫隙等效的電容。由于濾波器7上各諧振頻率選擇面8的諧振單元形狀大小不同，它們對入射太赫茲波的諧振頻率也不同。因此，本實施例中不同的諧振頻率選擇面8與實施例1中濾波器5上設(shè)置有不同生化薄膜的濾波薄膜6有著異曲同工的作用：都能夠?qū)θ肷涮掌澆ㄆ鸬讲煌臑V波效果。為了便于理解，我們以文獻2(Carelli P,Chiarello F,Cibella S,et al.A Fast Terahertz Spectrometer Based on Frequency Selective Surface Filters,Journal of Infrared Millimeter&Terahertz Waves,Vol.33，No.5,pp.505-512(2012))中提出的一種結(jié)構(gòu)作為濾波器進行舉例說明。該結(jié)構(gòu)中包括了18個諧振頻率選擇面，它們分別具有不同的諧振中心頻率，范圍為0.74-4.76THz，圖6顯示了其中晶格常數(shù)為20μm的諧振頻率選擇面的透射譜線。我們可以使用該文獻中的參數(shù)制作濾波器上的n個諧振頻率選擇面，則每個諧振頻率選擇面的諧振頻率不相同，它們對入射太赫茲波的頻率響應(yīng)也不同，我們通過實驗可以測得這n個諧振頻率選擇面對入射太赫茲波的頻率響應(yīng)，即所求線性方程組的系數(shù)矩陣。如此，通過探測器4測量經(jīng)過濾波器7上某個諧振頻率選擇面8后的太赫茲波強度，并通過光學平移臺移動濾波器7，就可以獲得從濾波器7上各個諧振頻率選擇面8透射的太赫茲波強度，代入線性方程組求解就可以復原得到太赫茲波譜。

實施例3

實施例1和實施例2都是使用光學平移臺作為濾波參數(shù)控制器來調(diào)節(jié)濾波器5與探測器4的相對位置，從而使得待測太赫茲波分別通過濾波器5上各個不同濾波薄膜6或者濾波器7上各個不同諧振頻率選擇面8后被探測器4接收。除了這種結(jié)構(gòu)以外，實施例1和實施例2中的濾波器也可以使用濾波輪型結(jié)構(gòu)。如圖4所示，此時輪盤基底9上的濾波單元10可以使用實施例1和實施例2中的濾波薄膜6或者諧振頻率選擇面8，濾波單元10繞輪盤基底9的軸心分布。濾波參數(shù)控制器可以選用步進電機，它可以控制輪盤基底9繞軸心旋轉(zhuǎn)，在各種預設(shè)濾波條件下，輪盤基底9旋轉(zhuǎn)過不同的角度，并使得不同的濾波單元10正對探測器4。通過實驗測得各濾波單元10的探測率就可以確定該結(jié)構(gòu)的系數(shù)矩陣，通過步進電機控制輪盤基底9旋轉(zhuǎn)就可以探測到不同強度的太赫茲波。因此上述結(jié)構(gòu)和控制方式也可以實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案。

實際應(yīng)用中，就濾波器來說，本發(fā)明還設(shè)計了如下結(jié)構(gòu)：所述濾波參數(shù)控制器包括步進電機和輪盤基底，所述各個濾波單元以輪盤基底的軸心為中心分布設(shè)置在輪盤基底上，步進電機的驅(qū)動端與輪盤基底相聯(lián)動，步進電機針對輪盤基底進行電控機械調(diào)制，控制輪盤基底以其軸心為軸進行轉(zhuǎn)動，切換各個濾波單元分別位于待測太赫茲波的傳播路徑上，實現(xiàn)濾波器分別在各種預設(shè)濾波條件下對待測太赫茲波的不同濾波作用，獲得分別對應(yīng)各種預設(shè)濾波條件、彼此波譜互不相同的各個太赫茲波，具體設(shè)計如下實施例。

實施例4

本實施例中基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，本裝置中包括太赫茲波準直裝置、太赫茲波磁控濾波器，磁場調(diào)制器11、探測器4。本實施例中的太赫茲波磁控濾波器包括向列型液晶盒13和附著于液晶盒前后兩端面的兩個平行太赫茲偏振片12，本實施例中的磁場調(diào)制器11由螺旋線圈與驅(qū)動電源組成(圖中由一對磁極表示)，探測器采用Golay Cell或Bolometer探測器。為了自動實現(xiàn)光譜復原過程中的數(shù)值采集與計算，本實施例中還包括與探測器4信號連接的計算處理單元(圖中未示出)。由于液晶分子具有旋光性和雙折射效應(yīng)，經(jīng)過第一個太赫茲偏振片12后的線偏振太赫茲波在進入向列型液晶盒13時形成兩束極化光，由于在磁場內(nèi)具有不同的相位延遲，兩束極化光合并出射時與原來相比旋轉(zhuǎn)了一定角度，再經(jīng)過第二片太赫茲偏振片12后被探測器4接收，此時探測器4接收到的太赫茲強度與磁場和太赫茲波的頻率相關(guān)。通過控制驅(qū)動電源改變磁場強度，可以控制向列液晶材料的雙折射特性，從而改變探測器4接收到的太赫茲波強度。當磁場調(diào)制器11實現(xiàn)各種預設(shè)濾波條件時，所述濾波器會產(chǎn)生不同的濾波效應(yīng)，使得探測器4接收到的太赫茲波強度不斷變化，通過實驗測量磁場調(diào)制器11的每一個預設(shè)濾波條件下探測器4對于待測太赫茲波各頻率分量的探測率，即可得到波譜測量所需要的系數(shù)矩陣，通過測量磁場調(diào)制器11各種預設(shè)濾波條件下太赫茲波的強度并求解線性方程組就可以實現(xiàn)太赫茲波譜復原。

由上述分析可知，當通過光學平移臺移動濾波器，使得濾波單元與探測器的相對位置不斷改變時，由于每一次探測器所正對的濾波薄膜在探測器測量頻率范圍內(nèi)的透射譜線都互不相同，每一次探測器所探測到的太赫茲波強度也不同。如果按照濾波器上濾波薄膜的個數(shù)n，將太赫茲波探測器探測頻率范圍劃分為n等份，每一份中心頻率的頻段在待測太赫茲波中的強度大小作為未知數(shù)；將光學平移臺經(jīng)過n次控制后探測器探測到的值去除環(huán)境噪聲后作為增廣矩陣；測得濾波器上每一個濾波薄膜對太赫茲波各頻段的探測率/透過率作為系數(shù)矩陣，通過吉洪諾夫(Tikhonov)正則化方法求解矩陣方程，并將所得結(jié)果進行線性擬合、頻譜定標就可以得到待測太赫茲波的波譜?；谠撛砑纯傻玫奖景l(fā)明的波譜測量(波譜復原)方法，具體如下：

基于本發(fā)明所設(shè)計基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置，對應(yīng)上述各個具體實施例結(jié)構(gòu)，本發(fā)明進一步設(shè)計了基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法，具體包括如下步驟：

步驟1.將所述探測器所能探測到的頻率范圍等分為n個頻寬為Δf的頻段，各頻段分別以其中心頻率f₁,…,f_n進行標記，n為大于3的整數(shù)。

如圖1所示，在探測器的測量頻率范圍內(nèi)，將待測太赫茲波譜曲線均勻劃分成n段。整個波譜面積就被近似劃分為多個細長的矩形，假設(shè)每一份的中心頻率分別為f₁,f₂,…f_n，頻率間隔為Δf，P(f_i)(i＝1,…,n)為頻率f_i的太赫茲波頻率分量對應(yīng)的功率大小，待測太赫茲波中每個頻率段所對應(yīng)的太赫茲波分量的功率即為每個小矩形的面積，根據(jù)微積分原理，入射太赫茲波的總功率P₀可以近似為圖中曲線下面各個小矩形面積的總和，即各頻率分量功率的迭加。如果用數(shù)學公式表示，可表示為：

步驟2.所述濾波參數(shù)控制器針對濾波器對應(yīng)待測太赫茲波的濾波作用，進行n種預設(shè)濾波條件控制，使得探測器分別探測獲得濾波器在n種預設(shè)濾波條件控制下、針對待測太赫茲波進行濾波作用后太赫茲波的功率，即探測獲得n個太赫茲波功率，再分別減去環(huán)境噪聲，更新獲得n種預設(shè)濾波條件控制下的n個太赫茲波功率P₁,…,P_n。

由于測量環(huán)境中或多或少會存在噪聲影響，本發(fā)明為了提高太赫茲波譜測量結(jié)果的準確性，將實測得到太赫茲波功率數(shù)據(jù)進行校準，即減去環(huán)境噪聲的功率。對于特定的測量環(huán)境，環(huán)境噪聲所產(chǎn)生的功率值是唯一確定的定值，即在沒有入射太赫茲波條件下，探測器所探測到的測量環(huán)境中的功率數(shù)據(jù)。將濾波器的n個位置所對應(yīng)探測器探測到的太赫茲波功率分別減去環(huán)境噪聲后，分別記為P₁,…,P_n。

在探測器位置正對濾波器上第i個濾波膜時，探測器所測到的功率值再減去噪聲功率后，應(yīng)為：

其中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示探測器位置正對濾波器上第i個濾波薄膜時，頻率為f_j的太赫茲波在經(jīng)過與未經(jīng)過濾波膜的情況下，太赫茲波探測器所探測到的值分別減去環(huán)境噪聲后的兩者的比值。

當光學平移臺控制濾波器與探測器的相對位置不斷發(fā)生變化時，探測器就可以測得一系列的功率數(shù)據(jù)，將這些功率表示為如下線性方程組：

P₁＝C₁₁P(f₁)+C₁₂P(f₂)+…+C_1nP(f_n)，

P₂＝C₂₁P(f₁)+C₂₂P(f₂)+…+C_2nP(f_n)，

…

P_n＝C_n1P(f₁)+C_n2P(f₂)+…+C_nnP(f_n)，

其中，C₁₁,C₁₂,…C_1n分別是頻率為f₁,f₂,…f_n的太赫茲波在經(jīng)過與未經(jīng)過濾波器上第一個濾波膜時，太赫茲波探測器所探測到的值分別減去環(huán)境噪聲后的兩者的比值。當波譜測量裝置各部件的位置以及光學平移臺控制濾波器與探測器的各個相對位置確定后，可認為C_ij是一組定值，并能夠通過實驗測得，例如，可采用如下方法：先用寬頻的太赫茲波分別通過中心透射頻率為f₁,f₂,…f_n的太赫茲波超窄帶通濾波片(例如德國Thorlabs公司生產(chǎn)的FB19M系列濾波片，此處的濾波片用來獲得單一頻率的太赫茲波，而非本實例中的濾波器)，分別生成n個頻率為f₁,f₂,…f_n的頻段，將光路中的濾波器撤下，讓這n個頻段在不經(jīng)過濾波器的情況下分別使用探測器測量其強度；然后將濾波器重新放置，通過光學平移臺移動濾波器使探測器正對濾波器上某一濾波薄膜位置，測量此時這n個中心頻率為f₁,f₂,…f_n的頻段在通過濾波器后探測器所探測到的強度，與沒有設(shè)置濾波器時探測器測量的強度分別減去噪聲強度后相比，就可以得到在該濾波器與探測器的相對位置下探測器對這n個頻段的太赫茲波的探測率C_i1,C_i2,…C_in(i＝1,2…n)。通過光學平移臺改變?yōu)V波器與探測器的相對位置，使得探測器分別正對濾波器上不同濾波薄膜的位置，重復上述步驟，即可得到一組數(shù)據(jù)C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)。這一組數(shù)據(jù)可組成系數(shù)矩陣C，如下所示：

當光學平移臺控制濾波器的各個位置確定后上述系數(shù)矩陣C為固有參數(shù)，即濾波參數(shù)控制器的輸出各種預設(shè)濾波條件后，該太赫茲波譜測量裝置對應(yīng)了一個恒定的系數(shù)矩陣C。

步驟3.利用吉洪諾夫正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法或者交替方向乘子法的數(shù)學優(yōu)化方法求解矩陣方程(1)，并且在所述吉洪諾夫正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子項，通過控制兩個相鄰解之間的距離，使得所得到的太赫茲波譜曲線更加平滑，如此通過針對矩陣方程(1)的求解，獲得待測太赫茲波中各頻段f₁,…,f_n的功率大小P(f₁),…,P(f_n)：

式中，i∈{1,…,n}，j∈{1,…,n}，C_ij表示在參數(shù)控制器針對濾波器進行第i種預設(shè)濾波條件控制下，f_j頻段的太赫茲波在通過和不通過該濾波器時，探測器所探測到功率值分別減去環(huán)境噪聲后的比值。

利用吉洪諾夫(Tikhonov)正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法或者交替方向乘子法的數(shù)學優(yōu)化方法求解矩陣方程(1)，并且在所述吉洪諾夫(Tikhonov)正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法、交替方向乘子法的方程中加入平滑因子項，通過控制兩個相鄰解之間的距離，使得所得到的太赫茲波譜曲線更加平滑。

步驟4.針對P(f₁),…,P(f_n)進行曲線擬合，并經(jīng)波譜定標，得到待測太赫茲波的波譜曲線。

在實際器件構(gòu)建過程中，器件中各元件的位置、尺寸、形狀、材料特性等可能與最初的設(shè)計要求有一定的偏差，但是當器件做好后，濾波參數(shù)控制器控制不變的情況下，探測器對于一定頻率的太赫茲波的探測率是一個固定值，通過實驗可以事先測得該探測率并獲得器件的系數(shù)矩陣。另外，在求解方程組過程中，探測器所采集到的太赫茲波強度以及對不同頻率的太赫茲波的探測率都是測量值。由于測量誤差等原因，該方程組實為病態(tài)方程組，再加上方程組中方程的數(shù)量較多，用普通方法較難求解，而采用吉洪諾夫(Tikhonov)正則化方法、最小均方算法、模擬退火算法、交替方向乘子法等數(shù)學優(yōu)化方法求解該線性方程組可以消除明顯失真而且求解速度快，該方程組求解后即可得待測太赫茲波各頻段所對應(yīng)的歸一化波譜強度，最后進行波譜定標就得到了復原的波譜曲線。以上的計算過程可利用計算處理單元自動進行，并可進一步利用計算處理單元同時對參數(shù)控制器進行自動控制，從而實現(xiàn)自動快速的太赫茲波譜測量。

上述基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置應(yīng)用及測量方法，避開采用傅里葉變換的方法，因此無需先得到待測太赫茲波的時域譜，也不需要使用機械延遲裝置，其結(jié)構(gòu)和光路較為簡單，并且整個設(shè)計結(jié)構(gòu)易于制作，且可選擇的材料種類繁多，因此整個裝置的成本較低；而且對于各種預設(shè)濾波條件所對應(yīng)的濾波單元來說，太赫茲波在濾波單元各個出射部位和出射的各個方向上，具有相同的透射波譜，它們都是經(jīng)過相同的濾波作用，能夠提高光譜測量的穩(wěn)定性，而如果采用散射、干涉、衍射的方法，由于不同的頻率的電磁波經(jīng)過散射、干涉、衍射作用后，具有不同的散射、干涉、衍射波角分布，即使在其中一個參數(shù)控制器輸出條件下，在分光器件的不同部位以及出射的不同角度，所透射的太赫茲波都具有不同的波譜；不僅如此，所設(shè)計基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置，相比現(xiàn)有的太赫茲時域波譜測量裝置體積較小，便攜性大大提高。除此之外，所設(shè)計基于濾波效應(yīng)的太赫茲波譜測量裝置的測量方法，通過解方程組復原太赫茲波譜的方法，使得光譜復原范圍和分辨率不再受機械裝置移動范圍和飛秒激光器重復頻率的限制，因此分辨率較高、光譜復原范圍較寬。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。